Мембранная фильтрация(мембраны)

В последние годы в хозяйственно-питьевом водоснабжении развитых зарубежных стран активно развивается мембранная технология, обеспечивающая более высокие качественные характеристики очистки воды. В частности, ультрафильтрционные мембраны позволяют убрать из воды взвешенные вещества, тонкодисперсные и коллоидные примеси, водоросли, одноклеточные организмы, бактерии и, что особенно важно, вирусы, которые никакими из используемых сейчас в практике отечественного водоснабжения методов очистки удалить не удается.

Исходя из этого, рекомендуется технология очистки воды с использованием ультрафильтрционных мембран. Предлагаемый тип мембран имеет размер пор 0.01 – 0.02 микрон, что позволяет производить высококачественную очистку воды от взвешенных веществ. Устранение мутности, патогенной микрофлоры и бактерий позволяют снизить потребность в реагентах по сравнению с классической схемой очистки. Мембранная технология позволяет сократить время флокулирования до 5-10 мин, а также использовать широкий спектр коагулянтов – сульфат алюминия, хлоргидрат алюминия и др.

При обработке воды с помощью мембранной фильтрации уменьшаются производственные площади и строительные объемы технологических сооружений. Кроме того, ультрафильтрация с коагулированием является эффективной технологией для удаления содержания взвешенных органических веществ, это исключает возможность образования побочных продуктов, которые образуются при дезинфекции воды (ТГМ, галогенных кислот), что не достигается при классической схеме очистки без дополнительных затрат и мероприятий (аммонизация, углевание и т.д.).

Мембранное фильтрование основано на принципе физического барьера, через который подлежащая обработке вода проходит под определенным давлением. Этот физический барьер – мембрана - может быть представлен как перфорированная перегородка, отверстия которой оказываются достаточно малыми для селективного прохода через них определенных веществ (молекул). Происхождение этих веществ, главным образом размер их частиц и молекул, размер отверстий в мембранах, а в некоторых случаях и возможный их заряд находятся в прямой зависимости друг от друга.

По своему происхождению мембраны могут быть органическими (различающимися по химической и температурной прочности, гидрофильности и др. свойствам) и минеральными. Возможные структуры (однородные, асимметричные, композитные) и геометрические формы (пластины, многоканальные блоки, спирали, полые волокна) также достаточно хорошо известны.

Ультрафильтрационные мембраны производятся по технологиям из разряда «know how», для этого используются такие полимерные вещества, как ацетат целлюлозы, полиэфирсульфон, полисульфон, полиимид, полиамид, поливинилидендифторид. (рис.5.57). Мембраны являются основой процесса ультрафильтрации. Поры мембран имеют размеры всего 0,005-0,05 микрон и способны задержать наиболее мелкие частицы, такие как вирусы и болезнетворные бактерии. Современные полимерные мембраны обладают высокой производительностью, устойчивы к воздействию микроорганизмов, а также допускают периодическое сильное воздействие химических соединений. Благодаря таким факторам, как наличие ресурсосберегающих мембран, сниженная потребность в реагентах, минимальные расходы на эксплуатацию мембранных аппаратов, ультрафильтрация является одним из наиболее перспективных методов водоочистки с точки зрения стоимостных и качественных показателей.

Рис. 5.57 Структура мембран

Разнообразие типов и видов мембран приведено в табл. 5.9.4.

Таблица 5.9.4 Типы мембран

Наилучшим образом для подготовки питьевой воды подходят, прежде всего, микропористые и полупроницаемые мембраны. Они обычно имеют композитную структуру (собственно мембрана толщиной 0,1-1,5 мкм и несущая основа толщиной 100-200 мкм), а основной и наиболее важной их характеристикой является пористость (порог отсечения), который и определяет размер улавливаемых ими микрочастиц любого происхождения (рис.5.58)

Легко заметить, что МФ-мембраны обладают более высоким (в численном выражении) порогом отсечения, чем УФ-мембраны, и потому практически неспособны задерживать ни вирусы, ни органические загрязнения. НФ-мембраны, называемые иногда и как ОО-мембраны низкого давления, задерживают высокомолекулярные органические вещества, значительное количество специфических загрязнений (детергенты, пестициды и пр.), а также вирусы и бактерии, хотя требуют для этого достаточно высоких рабочих давлений. ОО-мембраны, работающие при значительно больших давлениях, обеспечивают, кроме всего прочего, и глубокое обессоливание воды, что естественным образом определяет область их практического применения. Эффективность извлечения в процессе мембранной ультрафильтрации воды микрочастиц, на которых могут фиксироваться различные патогенные микроорганизмы, более чем на порядок превосходит даже самое эффективное (остаточная мутность на уровне 0,1 NTU) фильтрование через песок.

Рис. 5.58.

Наиболее широкое применение получили мембраны полое волокно. УФ-мембрана Aquasource, фирма «Дегремон», представляет собой полое волокно на основе триацетатцеллюлозы с внешним диаметром @ 0,93 мм при общей длине @ 1,3 м, фильтрование в котором осуществляется в направлении изнутри наружу. Волокно УФ-мембраны Aquasource имеет внутренний «чулок» толщиной порядка 1 мкм, являющийся активной частью мембраны, на которой задерживаются и аккумулируются загрязнения, и пористый несущий слой, который придает мембране необходимую жесткость и механическую прочность. Для УФ-мембраны Aquasource был выбран максимальный порог отсечения на уровне 100-300 тыс. дальтон, что определяет ее способность задерживать все частицы размером > 0,01 мкм.

Фирма «Зенон» использует мембраны Zee Weed 1000, полое волокно с размерами пор 0,02-0,1 мкм, направление фильтрования снаружи внутрь.

Замену мембран осуществляют через 5-8 лет.

Мембраны «полое волокно» собирают в пучки, из которых формируют элементы и затем модули (рис. 5.59).

Внешний вид ультрафильтрационного элемента

Вид торца трубчатой мембранного элемента

Рис. 5.59